WO2020129816A1 - 変位拡大機構及びアクチュエータ - Google Patents

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WO2020129816A1
WO2020129816A1 PCT/JP2019/048743 JP2019048743W WO2020129816A1 WO 2020129816 A1 WO2020129816 A1 WO 2020129816A1 JP 2019048743 W JP2019048743 W JP 2019048743W WO 2020129816 A1 WO2020129816 A1 WO 2020129816A1
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WO
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curvature
radius
rolling
curved surface
displacement
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Application number
PCT/JP2019/048743
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English (en)
French (fr)
Inventor
光樹 土屋
Original Assignee
住友重機械工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Priority to JP2020561363A priority Critical patent/JP7346450B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to a displacement magnifying mechanism and an actuator.
  • a displacement magnifying mechanism that magnifies and outputs a small displacement of a piezo element (piezoelectric element) is known.
  • Patent Document 1 discloses an output part, piezoelectric elements arranged symmetrically with respect to the output part, caps arranged on both sides of each piezoelectric element, and a side in rolling contact with a cap other than a cap in rolling contact with the output part.
  • a buckling type actuator having a block and a frame rigidly connecting the side blocks is disclosed.
  • the position between the cap on one side of the piezoelectric element and the side block, and between the cap on the other side of the piezoelectric element and the output section is held by the friction between the parts.
  • a minute slip occurs due to a load caused by the inside of the actuator due to an assembly error or a component crossing error and a load caused by an external force such as an external force.
  • This minute slip is accumulated as the number of operation cycles is increased, and there is a possibility that the components are displaced.
  • the cap or the piezoelectric element may come into contact with the frame due to the displacement of the cap.
  • an object of the present invention is to provide a displacement magnifying mechanism and an actuator that suppress the displacement of parts.
  • the expansion and contraction element having a capacitive property, the fixed portion in rolling contact with one end of the expansion and contraction element, and the other end of the expansion and contraction element in rolling contact, the expansion and contraction of the expansion and contraction element.
  • the output unit that is displaced in an output direction different from the expansion and contraction direction of the expansion and contraction element, and the direction perpendicular to the plane formed by the output direction of the output unit and the expansion and contraction direction of the expansion and contraction element.
  • FIG. 3 is a perspective view of the actuator unit with a part of the outer shell cut away.
  • the schematic diagram which shows the force which acts on each component of a displacement expansion mechanism.
  • the perspective view of a displacement magnifying mechanism. The front view of the displacement magnifying mechanism.
  • the perspective view of the fixed part of the displacement magnification mechanism concerning a 1st embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of a cap of the displacement magnifying mechanism according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a plan view of the displacement magnifying mechanism according to the first embodiment.
  • the schematic diagram explaining the position gap by rotation around the yc axis.
  • FIG. 6 is a table for explaining a combination of respective radii of curvature and an effect of suppressing deviation in the displacement magnifying mechanism according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view of a displacement magnifying mechanism according to a second embodiment.
  • FIG. 9 is a table for explaining the combination of respective radii of curvature and the effect of suppressing deviation in the displacement magnifying mechanism according to the second embodiment.
  • FIGS. 1A to 1D are diagrams showing the configuration of the actuator unit 1.
  • FIG. 1A is a perspective view of the actuator unit 1.
  • FIG. 1B is a perspective view of the actuator unit 1 with a part of the outer shell 15 cut away.
  • FIG. 1C is a partial cross-sectional view of the actuator unit 1 in the yz plane.
  • FIG. 1D is a sectional view of the displacement magnifying mechanism 10 in the yz plane.
  • the actuator unit 1 is a drive unit that constitutes a capacitive actuator.
  • the actuator unit 1 mainly includes a displacement magnifying mechanism 10, an output joint 20, a spring preload adjusting mechanism 30, and a piezo preload adjusting mechanism 40.
  • the displacement magnifying mechanism 10 is a mechanism that magnifies the displacement of the elastic element having a capacitive property by utilizing the buckling phenomenon.
  • the expandable element having a capacitive property is a piezo element, and is composed of, for example, laminated ceramics.
  • the expansion/contraction element may be a magnetostrictive element, a hydraulic cylinder, a pneumatic cylinder, or the like.
  • the displacement magnifying mechanism 10 mainly includes a pair of piezoelectric elements 11, a pair of fixed portions (also referred to as “side blocks”) 12, an output portion (also referred to as “center block”) 13, and a preload adjustment. It has a spring 14 and an outer shell (also referred to as “frame”) 15.
  • each of the pair of piezo elements 11 is connected to the fixed portion 12 via the rolling joint, and the other end is connected to the output portion 13 via the rolling joint.
  • Caps CP1 and CP2 are joined to both end faces of the piezo element 11 in the longitudinal direction.
  • the caps CP1 and CP2 are present as members independent of the piezo element 11, but may be formed integrally with the piezo element 11.
  • the rolling joint between the piezo element 11 and the fixed portion 12 has a rolling contact between the end curved surface (rolling surface) of the cap CP1 joined to one end of the piezo element 11 and the end curved surface (rolling surface) of the fixed portion 12 ( Line contact or point contact).
  • the end curved surface (rolling surface) of the piezo element 11 is rollably connected to the end curved surface (rolling surface) of the fixed portion 12.
  • the rolling joint between the piezo element 11 and the output portion 13 is formed by connecting an end curved surface (rolling surface) of the cap CP2 joined to the other end of the piezo element 11 and an end curved surface (rolling surface) of the fixed portion 12. It is configured by connection through rolling contact (line contact or point contact).
  • a circle C1 represents a circle including a locus of a contact point on the end curved surface of the fixed portion 12 that contacts the end curved surface of the cap CP1
  • a circle C2 indicates the fixed portion 12 on the end curved surface of the caps CP1 and CP2.
  • a circle including a locus of a contact position in contact with the end curved surface of the output unit 13 is represented, and a circle C3 represents a circle including a locus of a contact point of the end curved surface of the output unit 13 contacting the end curved surface of the cap CP2. That is, the operation of the rolling joint between the piezo element 11 and the fixed portion 12 is defined by the circle C1 and the circle C2. Further, the operation of the rolling joint between the piezo element 11 and the output unit 13 is defined by the circle C2 and the circle C3.
  • Each of the pair of piezo elements 11 expands in the longitudinal direction (z-axis direction) when a voltage is applied to cause a buckling phenomenon, and the output portion 13 is displaced in a direction perpendicular to the longitudinal direction by a displacement larger than the stretching displacement. Displace in the (y-axis direction). That is, the expansion/contraction motion of the piezo element 11 is converted into a rotational motion by the rolling joint, and the expansion/contraction displacement is expanded. Then, the linear reciprocating motion in the output unit 13 is brought about.
  • the displacement magnifying mechanism 10 converts the respective outputs of the pair of piezo elements 11 and urges the output section 13 to displace in a predetermined output direction that is a direction different from the expansion/contraction direction of the piezo elements 11. ..
  • the displacement of the output part 13 is called "enlargement displacement.”
  • the output unit 13 is a functional element that transmits the output of the displacement magnifying mechanism 10 to the outside.
  • the output portion 13 has an end on the +y side connected to the preload adjusting spring 14 and an end on the ⁇ y side connected to the output joint 20.
  • the preload adjusting spring (also referred to as “PCS (Preload Compensation Spring)”) 14 is an example of a biasing unit that biases the output unit 13 of the displacement magnifying mechanism 10 with a certain characteristic.
  • the preload adjusting spring 14 adjusts the expansion displacement-thrust characteristic, which is the relationship between the expansion displacement of the output portion 13 and the thrust generated by the expansion displacement.
  • the preload adjusting spring 14 is composed of a leaf spring including a pair of curved portions that are curved so as to bulge in the -y direction, the central portion thereof is fixed to the output portion 13, and both end portions thereof are adjusted by the spring preload. It is connected to the pair of fixing portions 12 via the mechanism 30.
  • the preload adjusting spring 14 generates a force in the y-axis direction that offsets the thrust force generated by the enlarged displacement of the output portion 13.
  • offset force the force generated by the preload adjusting spring 14 will be referred to as “offset force”.
  • the spring preload adjusting mechanism 30 is a mechanism for adjusting the offset force by the preload adjusting spring 14.
  • the spring preload adjusting mechanism 30 is composed of a wedge block.
  • the piezo preload adjusting mechanism 40 is a mechanism that applies and adjusts preload to the four rolling joints in the displacement magnifying mechanism 10.
  • the piezo preload adjusting mechanism 40 for the piezo element 11 is composed of a cap CP1, a guide GD1, and a shim SH1, as shown in FIG. 1D.
  • the cap CP1 is a member attached to one end of the piezo element 11 in order to form a rolling joint between the piezo element 11 and the fixed portion 12.
  • the guide GD1 is a member that guides the cap CP1 to be detachably attached to one end of the piezo element 11, and is fixed to the cap CP1.
  • the cap CP1 and the shim SH1 are configured to transmit the thrust generated by the piezo element 11 with high efficiency. Therefore, it is preferably formed of a material having high elasticity and strength such as steel or ceramics.
  • the guide GD1 is configured to secure the alignment between the cap CP1 and the piezo element 11 and protect the outer surface of the piezo element 11. Therefore, it is preferably formed of a material having elasticity lower than that of the piezo element 11, or has a structure of low elasticity.
  • the cap CP1 and the guide GD1 may be integrally formed.
  • the shim SH1 is a member that can be arranged between the cap CP1 and one end of the piezo element 11 in the guide GD1, and is used to adjust the distance between the cap CP1 and one end of the piezo element 11. That is, the larger the width of the shim SH1 in the z-axis direction, the greater the preload on the four rolling joints.
  • the piezo preload adjusting mechanism 40 has been described as being arranged at one end of the piezo element 11 (on the side of the fixed portion 12), it may be arranged on the other end of the piezo element 11 (on the side of the output portion 13). ..
  • the piezo preload adjusting mechanism 40 By the piezo preload adjusting mechanism 40, the distance between the contact point at the left end and the contact point at the right end is adjusted to be shorter than the natural length. Therefore, the rolling surface of the rolling joint always makes rolling contact with a force of a predetermined value or more.
  • the contact point at the left end is the contact point between the end curved surface of the left cap CP1 and the end curved surface of the left fixing portion 12, and the right end contact point is the end curved surface of the right cap CP1 and the right curved surface. This is a contact point with the curved end portion of the fixed portion 12.
  • each member (cap CP1, left piezo element 11, cap CP2, output unit 13, cap CP2, right piezo element 11, cap CP1) arranged in a straight line in the z-axis direction in the unloaded state. ) Is the total length in the z-axis direction.
  • the outer shell 15 is a functional element that fixes the distance between the pair of fixed portions 12.
  • the outer shell 15 is a member formed so as to surround the pair of piezo elements 11, the pair of fixed portions 12, and the output portion 13, and is a pair when the displacement magnifying mechanism 10 causes a buckling phenomenon. To prevent the distance between the fixing portions 12 of the two from expanding.
  • the displacement magnifying mechanism 10 has the characteristics that the displacement of the piezo element 11 can be magnified 100 times or more and the output energy can be transmitted by 70% or more. Further, the displacement magnifying mechanism 10 can be applied to, for example, a brake actuator that is required to perform a clamp operation because it has characteristics that there is no energy loss associated with maintaining the static thrust and the magnifying displacement is relatively large.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the force acting on each component of the displacement magnifying mechanism 10.
  • the output characteristic of the displacement magnifying mechanism 10 is expressed by the equation (1) when considering the actuator characteristic of the piezo element 11 and the motion conversion characteristic of the displacement magnifying mechanism 10.
  • kPCS represents the mechanical compression rigidity of the spring preload adjusting mechanism 30, and kPZT represents the mechanical compression rigidity of the piezo element 11.
  • kF represents the mechanical tensile rigidity of the outer shell 15 in the longitudinal direction
  • kJ represents the mechanical compressive rigidity of the rolling joint.
  • kS represents the total mechanical rigidity of the displacement magnifying mechanism 10 in the displacement direction of the piezo element 11, and depends on the mechanical tensile rigidity kF of the outer shell 15 and the mechanical compression rigidity kJ of the rolling joint.
  • L represents the distance between the rotation center of the rolling joint regarding the fixed portion 12 and the rotation center of the rolling joint regarding the output portion 13.
  • FV represents the piezo thrust
  • FPL represents the piezo preload by the piezo preload adjusting mechanism 40
  • FZ represents the mechanical thrust generated inside the piezo element 11 depending on the displacement amount of the piezo element 11.
  • zPZT represents the displacement of the piezo element 11
  • zS represents the total displacement of the rolling joint and the outer shell 15 in the displacement direction of the piezo element 11.
  • d is a piezoelectric constant
  • VPZT represents a voltage applied to the piezo element 11.
  • ⁇ represents an angle between the contacts.
  • the inter-contact angle ⁇ is an angle with respect to a reference line of a line segment that connects the contact between the piezo element 11 and the fixed portion 12 and the contact between the piezo element 11 and the output portion 13.
  • the reference line is a straight line connecting the center of rotation of the rolling joint regarding the fixed portion 12 and the center of rotation of the rolling joint regarding the output portion 13 when the enlarged displacement Y is zero.
  • y0 in FIG. 2 represents a constant displacement amount (preload) with respect to the preload adjusting spring 14.
  • the first expression of the expression (1) shows the balance of forces in the direction of the expanded displacement Y of the output unit 13.
  • the second equation shows the motion conversion characteristics of the displacement magnifying mechanism 10.
  • the third equation shows the balance of forces in the displacement direction of the piezo element 11. Note that z is the center of an arc where the cap CP1 is in rolling contact (line contact or point contact) with the end curved surface of the fixed portion 12, and the cap CP2 is in rolling contact (line contact or point contact) with the end curved surface of the output portion 13. ) Represents the distance from the center of the arc.
  • the influence of expansion and contraction of the piezo element 11 is approximated by a minute change in the diameter of the cap.
  • FIGS. 3A to 3C are schematic diagrams showing the configuration of the displacement magnifying mechanism 10.
  • FIG. 3A is a perspective view of the displacement magnifying mechanism 10.
  • FIG. 3B is a front view of the displacement magnifying mechanism 10 as seen from a direction perpendicular to the yz plane.
  • FIG. 3C is a plan view of the displacement magnifying mechanism 10 viewed from a direction perpendicular to the zx plane.
  • the output joint 20, the spring preload adjusting mechanism 30, the preload adjusting spring 14 and the like are omitted.
  • the outer shell 15 is shown in a transparent manner in FIG. 3A, and the outer shell 15 is not shown in FIG. 3B.
  • the rolling surfaces of the caps CP1 and CP2 the rolling surface of the fixed portion 12, and the rolling surface of the output portion 13 are cylindrical surfaces.
  • the yc axis indicates the output direction of the output unit 13, and is an axis parallel to the y axis that passes through the center of the output unit 13.
  • the displacement magnifying mechanism 10 has a target structure with reference to a plane that passes through the yc axis and is parallel to the xy plane.
  • the zp axis is an axis that matches the extension direction of the piezo element 11 and passes through the center of the piezo element 11.
  • the yp axis is perpendicular to the zp axis, perpendicular to the x axis and the zx plane, and passes through the center of the piezo element 11.
  • Rs indicates the radius of curvature of the rolling surface of the fixed portion 12.
  • Rc indicates the radius of curvature of the rolling surface of the output unit 13.
  • Rp indicates the radius of curvature of the rolling surface of the cap of the piezo element 11.
  • the piezo element 11 has a geometric shape with respect to the x-axis direction. Not physically restrained. That is, the geometrical pattern is geometrical with respect to the direction (x-axis direction) perpendicular to the plane (yz-plane) formed by the output direction of the output unit 13 (y-axis direction) and the expansion/contraction direction of the piezo element 11 (z-axis direction). Is not bound by. Therefore, if the piezoelectric element 11 is displaced in the x-axis direction, the piezoelectric element 11 may come into contact with the outer shell 15. When the piezo element 11 comes into contact with the outer shell 15, the performance of the actuator unit 1 is deteriorated and the life of the actuator unit 1 is shortened due to wear.
  • FIGS. 4A to 4C are diagrams illustrating the configuration of the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is a perspective view of the fixed portion 12 of the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 4B is a perspective view of the cap CP1 of the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 4C is a plan view of the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment in the zx plane.
  • the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment is different from the displacement magnifying mechanism 10 shown in FIGS. 3A to 3C in the shape of the rolling surface of the rolling joint.
  • the displacement magnifying mechanism 10 has a displacement prevention structure that suppresses displacement of components in the x direction. That is, the misregistration suppressing structure is arranged in a direction (x-axis direction) perpendicular to a plane (yz-plane) composed of the output direction of the output unit 13 (y-axis direction) and the expansion/contraction direction of the piezo element 11 (z-axis direction). On the other hand, the displacement of the component (piezo element 11) is suppressed.
  • the positional deviation suppressing structure is configured by the shape of the rolling surface of the fixed portion 12 and the shape of the rolling surface of the cap CP1. Further, the positional deviation suppressing structure is configured by the shape of the rolling surface of the output portion 13 and the shape of the rolling surface of the cap CP2.
  • the fixing portion 12 has a saddle-shaped rolling surface, in other words, a rolling surface that is a concave curved surface.
  • the concave curved surface is a curved surface that becomes a concave arc when cut along a plane perpendicular to the locus of the rolling contact point.
  • Rs indicates the radius of curvature of the rolling circle.
  • the rolling circle of the fixed portion 12 is a circle including a locus of a contact point of the end curved surface of the fixed portion 12 that comes into contact with the end curved surface of the cap CP1, and is a circle on a plane parallel to the yz plane.
  • rs represents the radius of curvature of the curved surface of the fixed portion 12. Further, in FIG.
  • the locus of the center of the circle having the radius of curvature rs is indicated by cs.
  • the locus cs is on the same plane as the circle with the radius of curvature Rs, is concentric with the circle with the radius of curvature Rs, and is an arc of radius Rs+rs.
  • the plane of the circle having the radius of curvature Rs and the plane of the circle having the radius of curvature rs are planes rotated by 90° about the line connecting the centers of the two circles as an axis.
  • the rolling surface of the fixed portion 12 is a curved surface formed by sweeping an arc having a radius of curvature rs along a rolling circle having a radius of curvature Rs.
  • the cap CP1 has a rolling surface that is a convex curved surface.
  • the convex curved surface is a curved surface which becomes a convex arc when cut along a plane perpendicular to the locus of the rolling contact point.
  • Rp represents the radius of curvature of the rolling circle.
  • the rolling circle of the cap CP1 is a circle including a locus of a contact point that comes into contact with the end curved surface of the fixed portion 12 on the end curved surface of the cap CP1, and is a circle on a plane parallel to the yz plane. rp indicates the radius of curvature of the curved surface of the cap CP1. Further, in FIG.
  • the locus of the center of the circle having the radius of curvature rp is indicated by cp.
  • the locus cp is on the same plane as the circle having the radius of curvature Rp, is concentric with the circle having the radius of curvature Rp, and is an arc having a radius Rp-rp.
  • the plane of the circle having the radius of curvature Rp and the plane of the circle having the radius of curvature rp are planes rotated by 90° about the line connecting the centers of the two circles as axes.
  • the rolling surface of the cap CP1 is a curved surface formed by sweeping an arc having a radius of curvature rp along a rolling circle having a radius of curvature Rp.
  • the rolling surface of the output portion 13 has a rolling surface that is a concave curved surface defined by the radius of curvature Rc of the rolling circle and the radius of curvature rc of the curved surface.
  • the rolling surface of the cap CP2 has a rolling surface that is a convex curved surface defined by the radius of curvature Rp of the rolling circle and the radius of curvature rp of the curved surface, similarly to the rolling surface of the cap CP1.
  • the operation of the rolling joint between the cap CP1 of the piezo element 11 and the fixed portion 12 is defined by the rolling circle having the radius of curvature Rs and the rolling circle having the radius of curvature Rp.
  • the operation of the rolling joint between the cap CP2 of the piezo element 11 and the output portion 13 is defined by the rolling circle having the curvature radius Rp and the rolling circle having the curvature radius Rc. Therefore, the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment can perform the displacement magnifying operation similarly to the displacement magnifying mechanism 10 in the case where the end curved surface shown in FIGS. 3A to 3C is a cylindrical surface.
  • the end curved surface of the fixed portion 12 is a concave curved surface
  • the end curved surface of the cap CP1 of the piezo element 11 is a convex curved surface.
  • the end curved surface of the output portion 13 becomes a concave curved surface
  • the end curved surface of the cap CP2 of the piezo element 11 becomes a convex curved surface. This can prevent the piezoelectric element 11 from shifting in the x-axis direction.
  • 5A to 5B are schematic diagrams for explaining the positional deviation due to the rotation around the yc axis.
  • rs1 represents the radius of curvature of the curved surface of the left fixed portion 12.
  • rs2 represents the radius of curvature of the curved surface of the right fixed portion 12.
  • rps1 represents the radius of curvature of the curved surface of the cap CP1 in contact with the left fixed portion 12.
  • rps2 represents the radius of curvature of the curved surface of the cap CP1 in contact with the right fixing portion 12.
  • FIG. 5A shows a case where the radius of curvature rs of the fixed part 12 is equal to or larger than the radius of curvature rss of the circle passing through the joint contact points of the left and right fixed parts 12 (rss ⁇ rs).
  • a circle having a radius of curvature rss is included in an overlapping portion of a circle having a radius of curvature rs1 and a circle having a radius of curvature rs2. Therefore, the circle having the radius of curvature rs1 and the circle having the radius of curvature rs2 can rotate within the overlapping portion of the circle having the radius of curvature rs2. Therefore, the assembly of the left and right piezo elements 11 and the output unit 13 can rotate about the yc axis as the rotation axis.
  • FIG. 5B shows a case where the radius of curvature rs of the fixed portion 12 is less than the radius of curvature rss of the circle passing through the joint contact points of the left and right fixed portions 12 (rs ⁇ rss).
  • a circle having a radius of curvature rss is projected from the overlapping portion of a circle having a radius of curvature rs1 and a circle having a radius of curvature rs2. For this reason, the circle with the radius of curvature rss cannot rotate within the overlapping portion of the circle with the radius of curvature rs1 and the circle with the radius of curvature rs2. Therefore, it is possible to suppress the assembly of the left and right piezo elements 11 and the output unit 13 from rotating around the yc axis as the rotation axis.
  • 6A to 6C are schematic diagrams for explaining the positional deviation due to the rotation around the yp axis.
  • rps represents the radius of curvature of the curved surface of the cap CP1 that is in contact with the fixed portion 12.
  • rpc represents the radius of curvature of the curved surface of the cap CP2 that is in contact with the output unit 13.
  • the radius of curvature rs of the fixed portion 12 is equal to or larger than the radius of curvature rsc of a circle passing through the joint contact at the fixed portion 12 and the joint contact at the output portion 13, and the radius of curvature rp of the cap CP is equal to or smaller than the radius of curvature rsc.
  • the case (rp ⁇ rsc ⁇ rs) is shown.
  • a circle having the radius of curvature rsc is included in the overlapping portion of the circle having the radius of curvature rs and the circle having the radius of curvature rc.
  • the circle having the radius of curvature rsc can rotate within the overlapping portion of the circle having the radius of curvature rs and the circle having the radius of curvature rc.
  • the piezo element 11 including the caps CP1 and CP2 fits within a circle having a radius of curvature rsc. Therefore, the piezo element 11 can rotate about the yp axis.
  • the curvature radius rs of the fixed portion 12 is equal to or larger than the curvature radius rsc of a circle passing through the joint contact at the fixed portion 12 and the joint contact at the output portion 13, and the curvature radius rp of the cap CP is equal to or larger than the curvature radius rsc.
  • the case (rsc ⁇ rp ⁇ rs) is shown. In this case, the piezo element 11 including the caps CP1 and CP2 protrudes from the circle having the radius of curvature rsc.
  • the "overlapping portion of the circle having the radius of curvature rs and the circle having the radius of curvature rc" includes the “overlapping portion of the circle having the radius of curvature rpc and the circle having the radius of curvature rps”. Therefore, the “overlapping portion of the circle with the radius of curvature rpc and the circle with the radius of curvature rps” can rotate within the “overlapping portion of the circle with the radius of curvature rs and the circle with the radius of curvature rc”. Therefore, the piezo element 11 can rotate about the yp axis.
  • FIG. 6C shows the case where the radius of curvature rs of the fixed part 12 is less than the radius of curvature rsc of the circle passing through the joint contact at the fixed part 12 and the joint contact at the output part 13 (rp ⁇ rs ⁇ rsc).
  • a circle with a radius of curvature rsc is projected from the overlapping portion of a circle with a radius of curvature rs and a circle with a radius of curvature rc. Therefore, the circle having the radius of curvature rsc cannot rotate within the overlapping portion of the circle having the radius of curvature rs and the circle having the radius of curvature rc. Therefore, it is possible to prevent the piezo element 11 from rotating about the yp axis as a rotation axis.
  • the piezo element 11 rotates the zp axis as the rotation axis. It is possible to suppress the rotation.
  • FIG. 7 is a table for explaining the combination of the respective curvature radii and the effect of suppressing the deviation in the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment.
  • crosses indicate ranges that do not satisfy the geometric condition (rp ⁇ rs).
  • the black triangles are the ranges in which deviation in the x direction is suppressed.
  • a white triangle mark is a range in which displacement in the x direction is suppressed and rotation around the yc axis is suppressed.
  • Double circles are ranges in which displacement in the x direction is suppressed, rotation about the yc axis is suppressed, rotation about the yp axis is suppressed, and rotation about the yz axis is suppressed.
  • the radius of curvature rs of the fixed portion 12 (the radius of curvature rc of the output portion 13) and the radius of curvature rp of the cap CP, it is possible to suppress the displacement of the components in the displacement magnifying mechanism 10. ..
  • the preload of the piezo element 11 and the radius of curvature of each curved surface are designed so that the joint contact stress falls within the allowable value.
  • FIGS. 8A to 8C are diagrams illustrating the configuration of the displacement magnifying mechanism 10 according to the second embodiment.
  • FIG. 8A is a perspective view of the fixed portion 12 of the displacement magnifying mechanism 10 according to the second embodiment.
  • FIG. 8B is a perspective view of the cap CP1 of the displacement magnifying mechanism 10 according to the second embodiment.
  • FIG. 8C is a plan view of the displacement magnifying mechanism 10 according to the second embodiment in the zx plane.
  • the displacement magnifying mechanism 10 according to the second embodiment is a rolling joint as compared with the displacement magnifying mechanism 10 shown in FIGS. 3A to 3C and the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment shown in FIGS. 4A to 4C. The shape of the rolling surface is different.
  • the fixing portion 12 has a rolling surface that is a convex curved surface.
  • Rs represents the radius of curvature of the rolling circle.
  • the rolling circle of the fixed portion 12 is a circle including a locus of a contact point of the end curved surface of the fixed portion 12 that comes into contact with the end curved surface of the cap CP1, and is a circle on a plane parallel to the yz plane.
  • rs represents the radius of curvature of the curved surface of the fixed portion 12.
  • the locus of the center of the circle having the radius of curvature rs is indicated by cs.
  • the locus cs is on the same plane as the circle with the radius of curvature Rs, is concentric with the circle with the radius of curvature Rs, and is an arc of radius Rs-rs.
  • the plane of the circle having the radius of curvature Rs and the plane of the circle having the radius of curvature rs are planes rotated by 90° about the line connecting the centers of the two circles as an axis.
  • the rolling surface of the fixed portion 12 is a curved surface formed by sweeping an arc having a radius of curvature rs along a rolling circle having a radius of curvature Rs.
  • the cap CP1 has a saddle-shaped rolling surface, in other words, a rolling surface that is a concave curved surface.
  • Rp indicates the radius of curvature of the rolling circle.
  • the rolling circle of the cap CP1 is a circle including a locus of a contact point that comes into contact with the end curved surface of the fixed portion 12 on the end curved surface of the cap CP1, and is a circle on a plane parallel to the yz plane.
  • rp indicates the radius of curvature of the curved surface of the cap CP1.
  • the locus of the center of the circle having the radius of curvature rp is indicated by cp.
  • the locus cp is on the same plane as the circle having the radius of curvature Rp, is concentric with the circle having the radius of curvature Rp, and is an arc of radius Rp+rp. Further, the plane of the circle having the radius of curvature Rp and the plane of the circle having the radius of curvature rp are planes rotated by 90° about the line connecting the centers of the two circles as axes.
  • the rolling surface of the cap CP1 is a curved surface formed by sweeping an arc having a radius of curvature rp along a rolling circle having a radius of curvature Rp.
  • the rolling surface of the output unit 13 has a rolling surface that is a convex curved surface defined by the radius of curvature Rc of the rolling circle and the radius of curvature rc of the curved surface.
  • the rolling surface of the cap CP2 has a rolling surface that is a concave curved surface defined by the radius of curvature Rp of the rolling circle and the radius of curvature rp of the curved surface, similarly to the rolling surface of the cap CP1.
  • the operation of the rolling joint between the cap CP1 of the piezo element 11 and the fixed portion 12 is defined by the rolling circle having the radius of curvature Rs and the rolling circle having the radius of curvature Rp.
  • the operation of the rolling joint between the cap CP2 of the piezo element 11 and the output portion 13 is defined by the rolling circle having the curvature radius Rp and the rolling circle having the curvature radius Rc. Therefore, the displacement magnifying mechanism 10 according to the second embodiment can perform the displacement magnifying operation similarly to the displacement magnifying mechanism 10 in the case where the end curved surface shown in FIGS. 3A to 3C is a cylindrical surface.
  • rs the curvature radius of the caps CP1 and CP2 have the same radius of curvature rp. Further, since the rolling joint is geometrically established, rs ⁇ rp is set.
  • the end curved surface of the fixed portion 12 is a convex curved surface
  • the end curved surface of the cap CP1 of the piezo element 11 is a concave curved surface.
  • the end curved surface of the output portion 13 becomes a convex curved surface
  • the end curved surface of the cap CP2 of the piezo element 11 becomes a concave curved surface. This can prevent the piezoelectric element 11 from shifting in the x-axis direction.
  • the assembly of the left and right piezo elements 11 and the output unit 13 can be suppressed from rotating about the yc axis as the rotation axis. Further, it is possible to prevent the piezo element 11 from rotating about the yp axis as a rotation axis.
  • FIG. 9 is a table for explaining the combination of the respective curvature radii and the effect of suppressing the deviation in the displacement magnifying mechanism 10 according to the second embodiment.
  • crosses indicate ranges that do not satisfy the geometric condition (rp ⁇ rs).
  • the circles indicate the range in which the displacement in the x direction is suppressed, the rotation around the yc axis is suppressed, and the rotation around the yp axis is suppressed.
  • Double circles are ranges in which displacement in the x direction is suppressed, rotation about the yc axis is suppressed, rotation about the yp axis is suppressed, and rotation about the zp axis is suppressed.
  • the radius of curvature rs of the fixed portion 12 (the radius of curvature rc of the output portion 13) and the radius of curvature rp of the cap CP, it is possible to suppress the displacement of the components in the displacement magnifying mechanism 10. ..
  • the preload of the piezo element 11 and the radius of curvature of each curved surface are designed so that the joint contact stress falls within the allowable value.
  • the end curved surface of the fixed portion 12 and the end curved surface of the output portion 13 are concave curved surfaces, and the end curved surface of the fixed portion 12 in the displacement magnifying mechanism 10 according to the second embodiment.
  • the end curved surface of the output unit 13 is described as being a convex curved surface, it is not limited to this.
  • the end curved surfaces of the fixing portion 12 and the cap CP1 may have the uneven curved surfaces shown in FIGS. 4A to 4C or 8A to 8C, and the output curved surfaces of the output portion 13 and the cap CP2 may be cylindrical surfaces.
  • the curved end portions of the output portion 13 and the cap CP2 may have the concave and convex curved surfaces shown in FIGS. 4A to 4C or 8A to 8C, and the curved end portions of the fixing portion 12 and the cap CP1 may be cylindrical surfaces. Even in this case, by properly selecting the radius of curvature of each curved surface, the effect of suppressing the deviation can be obtained. Further, by making one side a cylindrical surface, the processing cost can be reduced.
  • the loci of the rolling contact points in the fixed portion 12 and the output portion 13 are described as being convex arcs (circles with a radius of curvature Rs, circles with a radius of curvature Rc), but the locus is not limited to this.
  • the locus of the rolling contact may be a straight line, a concave arc, or a non-circular curve, and is not limited.
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams illustrating the configuration of the displacement magnifying mechanism 10 according to the modification.
  • FIG. 10A shows an example of the fixing portion 12 in which the locus Ls of the rolling contact point is a straight line and is a saddle-shaped (concave curved surface) rolling surface.
  • the cap CP1 that comes into contact with the fixing portion 12 is the cap CP1 whose rolling surface shown in FIG. 4B is a convex curved surface.
  • FIG. 10B shows an example of the fixing portion 12 in which the locus Ls of the rolling contact is a straight line and is a convex curved surface.
  • the cap CP1 that comes into contact with the fixing portion 12 is the cap CP1 whose rolling surface shown in FIG. 8B has a saddle shape (concave curved surface). Thus, even if the locus of the rolling contact is a straight line, it is possible to suppress the deviation.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

部品の位置ずれを抑制する変位拡大機構及びアクチュエータを提供する。　容量的性質を有する伸縮素子（１１）と、伸縮素子（１１）の一端と転がり接触する固定部（１２）と、伸縮素子（１１）の他端と転がり接触し、伸縮素子（１１）の伸縮に応じて伸縮素子（１１）の伸縮方向とは異なる出力方向に変位する出力部（１３）と、出力部（１３）の出力方向及び伸縮素子（１１）の伸縮方向からなる平面と垂直な方向に対して、伸縮素子（１１）の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制構造と、を備える。

Description

変位拡大機構及びアクチュエータ
　本発明は、変位拡大機構及びアクチュエータに関する。
　ピエゾ素子（圧電素子）の小さい変位を拡大して出力する変位拡大機構が知られている。
　特許文献１には、出力部と、出力部に関して対称に配置される圧電素子と、圧電素子のそれぞれの両側に配置されるキャップと、出力部と転がり接触するキャップ以外のキャップと転がり接触するサイドブロックと、サイドブロックを剛結合するフレームと、を有する座屈型アクチュエータが開示されている。
特開２０１４－８２９３０号公報
　ところで、圧電素子の一方側のキャップとサイドブロックの間、圧電素子の他方側のキャップと出力部との間は、部品間の摩擦により位置が保持される。しかしながら、組立誤差、部品交差誤差によるアクチュエータの内部に起因する荷重や、外力などの外部起因の荷重により、微小な滑りが生じる。この微小な滑りが動作サイクル数の増加に伴って蓄積され、部品に位置ずれが発生するおそれがある。例えば、両側にキャップを有する圧電素子とフレームとの間には隙間が設けられているが、キャップの位置ずれにより、キャップや圧電素子がフレームと接触するおそれがある。
　そこで、本発明は、部品の位置ずれを抑制する変位拡大機構及びアクチュエータを提供することを目的とする。
　実施形態の一態様の変位拡大機構は、容量的性質を有する伸縮素子と、前記伸縮素子の一端と転がり接触する固定部と、前記伸縮素子の他端と転がり接触し、前記伸縮素子の伸縮に応じて前記伸縮素子の伸縮方向とは異なる出力方向に変位する出力部と、前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向に対して、前記伸縮素子の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制構造と、を備える。
　本発明によれば、部品の位置ずれを抑制する変位拡大機構及びアクチュエータを提供することができる。
アクチュエータユニットの斜視図。 外殻の一部を切り欠いた状態のアクチュエータユニットの斜視図。 アクチュエータユニットの部分断面図。 変位拡大機構の断面図。 変位拡大機構の各構成要素に作用する力を示す模式図。 変位拡大機構の斜視図。 変位拡大機構の正面図。 変位拡大機構の平面図。 第１実施形態に係る変位拡大機構の固定部の斜視図。 第１実施形態に係る変位拡大機構のキャップの斜視図。 第１実施形態に係る変位拡大機構の平面図。 ｙｃ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。 ｙｃ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。 ｙｐ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。 ｙｐ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。 ｙｐ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。 第１実施形態に係る変位拡大機構における各曲率半径の組み合わせとずれ抑制の効果を説明する表。 第２実施形態に係る変位拡大機構の固定部の斜視図。 第２実施形態に係る変位拡大機構のキャップの斜視図。 第２実施形態に係る変位拡大機構の平面図。 第２実施形態に係る変位拡大機構における各曲率半径の組み合わせとずれ抑制の効果を説明する表。 変形例に係る変位拡大機構の構成を説明する図。 変形例に係る変位拡大機構の構成を説明する図。
　以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成については同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。
　アクチュエータユニット１について図１Ａから図１Ｄを用いて説明する。図１Ａから図１Ｄは、アクチュエータユニット１の構成を示す図である。具体的には、図１Ａはアクチュエータユニット１の斜視図である。図１Ｂは外殻１５の一部を切り欠いた状態のアクチュエータユニット１の斜視図である。図１Ｃはｙ－ｚ平面におけるアクチュエータユニット１の部分断面図である。図１Ｄはｙ－ｚ平面における変位拡大機構１０の断面図である。
　アクチュエータユニット１は、容量性アクチュエータを構成する駆動ユニットである。アクチュエータユニット１は、主に、変位拡大機構１０と、出力ジョイント２０と、バネ予圧調整機構３０と、ピエゾ予圧調整機構４０と、を有している。
　変位拡大機構１０は、座屈現象を利用して容量的性質を有する伸縮素子の変位を拡大する機構である。本実施形態では、容量的性質を有する伸縮素子はピエゾ素子であり、例えば積層セラミクスで構成される。但し、伸縮素子は、磁歪素子、油圧シリンダ、空気圧シリンダ等であってもよい。また、変位拡大機構１０は、主に、一対のピエゾ素子１１と、一対の固定部（「サイドブロック」とも称する。）１２と、出力部（「センターブロック」とも称する。）１３と、予圧調整バネ１４と、外殻（「フレーム」とも称する。）１５と、を有する。
　一対のピエゾ素子１１は、それぞれ、一端が転がりジョイントを介して固定部１２に連結され、且つ、他端が転がりジョイントを介して出力部１３に連結される。ピエゾ素子１１の長手方向の両端面には、キャップＣＰ１、ＣＰ２が接合される。なお、本実施形態では、キャップＣＰ１、ＣＰ２は、ピエゾ素子１１とは別個独立の部材として存在するが、ピエゾ素子１１と一体的に形成されてもよい。ピエゾ素子１１と固定部１２との転がりジョイントは、ピエゾ素子１１の一端に接合されたキャップＣＰ１の端部曲面（転がり面）と、固定部１２の端部曲面（転がり面）との転がり接触（線接触または点接触）を介した連結により構成される。即ち、ピエゾ素子１１と固定部１２との連結構造は、固定部１２の端部曲面（転がり面）に対してピエゾ素子１１の端部曲面（転がり面）が転がり可能に連結する。また、ピエゾ素子１１と出力部１３との転がりジョイントは、ピエゾ素子１１の他端に接合されたキャップＣＰ２の端部曲面（転がり面）と、固定部１２の端部曲面（転がり面）との転がり接触（線接触または点接触）を介した連結により構成される。即ち、ピエゾ素子１１と出力部１３との連結構造は、出力部１３の端部曲面（転がり面）に対してピエゾ素子１１の端部曲面（転がり面）が転がり可能に連結する。また、図１Ｄにおいて、円Ｃ１は固定部１２の端部曲面においてキャップＣＰ１の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円を表し、円Ｃ２はキャップＣＰ１、ＣＰ２の端部曲面において固定部１２または出力部１３の端部曲面と接触する接触位置の軌跡を含む円を表し、円Ｃ３は出力部１３の端部曲面においてキャップＣＰ２の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円を表す。即ち、ピエゾ素子１１と固定部１２との転がりジョイントは、円Ｃ１及び円Ｃ２によって、その動作が規定される。また、ピエゾ素子１１と出力部１３との転がりジョイントは、円Ｃ２及び円Ｃ３によって、その動作が規定される。
　一対のピエゾ素子１１はそれぞれ、電圧が印加された場合に長手方向（ｚ軸方向）に伸張して座屈現象を引き起こし、その伸張変位よりも大きい変位で出力部１３を長手方向に垂直な方向（ｙ軸方向）に変位させる。すなわち、ピエゾ素子１１の伸縮運動は転がりジョイントで回転運動に変換されてその伸縮変位が拡大される。そして、出力部１３における直動往復動作をもたらす。このように、変位拡大機構１０は、一対のピエゾ素子１１のそれぞれの出力を変換し、ピエゾ素子１１の伸縮方向とは異なる方向である所定の出力方向に出力部１３を付勢して変位させる。なお、以下では出力部１３の変位を「拡大変位」と称する。
　出力部１３は、変位拡大機構１０の出力を外部に伝達する機能要素である。本実施形態では、出力部１３は、＋ｙ側の端部が予圧調整バネ１４に接続され、－ｙ側の端部が出力ジョイント２０に接続される。
　予圧調整バネ（「ＰＣＳ(Preload Compensation Spring)」とも称する。）１４は、変位拡大機構１０の出力部１３を一定の特性で付勢する付勢手段の一例である。本実施形態では、予圧調整バネ１４は、出力部１３の拡大変位とその拡大変位によってもたらされる推力との関係である拡大変位－推力特性を調整する。具体的には、予圧調整バネ１４は、－ｙ方向に膨らむように湾曲した一対の湾曲部を含む板バネで構成され、その中央部が出力部１３に固定され、その両端部がバネ予圧調整機構３０を介して一対の固定部１２に接続される。予圧調整バネ１４は、出力部１３の拡大変位によってもたらされる推力をオフセットするｙ軸方向の力を発生させる。以下では、予圧調整バネ１４が発生させる力を「オフセット力」と称する。この構成により、予圧調整バネ１４は、出力部１３の拡大変位の方向を決定付けて出力部１３の挙動を安定化させることができる。
　バネ予圧調整機構３０は、予圧調整バネ１４によるオフセット力を調整する機構である。本実施形態では、バネ予圧調整機構３０はウェッジブロックで構成される。使用者は、予圧調整バネ１４の両端部のｙ軸方向における位置を調整することで予圧調整バネ１４の中央部が－ｙ方向に出力部１３を押し付ける力であるオフセット力を調整できる。
　ピエゾ予圧調整機構４０は、変位拡大機構１０における４つの転がりジョイントに対する予圧の付与及び調整を行う機構である。本実施形態では、ピエゾ素子１１に関するピエゾ予圧調整機構４０は、図１Ｄに示すように、キャップＣＰ１、ガイドＧＤ１、及びシムＳＨ１で構成される。
　キャップＣＰ１は、ピエゾ素子１１と固定部１２との間の転がりジョイントを構成するためにピエゾ素子１１の一端に取り付けられる部材である。
　ガイドＧＤ１は、キャップＣＰ１がピエゾ素子１１の一端に取り外し可能に取り付けられるように案内する部材であり、キャップＣＰ１に固定される。キャップＣＰ１及びシムＳＨ１はピエゾ素子１１で発生した推力を高効率で伝達するように構成される。そのため、望ましくは、鋼材、セラミクス等、高い弾性と強度を備える材料で形成される。ガイドＧＤ１は、キャップＣＰ１及びピエゾ素子１１のアライメントを確保すると共にピエゾ素子１１の外面を保護するように構成される。そのため、望ましくは、ピエゾ素子１１よりも低い弾性の材料で形成され、或いは、低い弾性の構造を有する。なお、キャップＣＰ１とガイドＧＤ１は一体的に形成されてもよい。
　シムＳＨ１は、ガイドＧＤ１内でキャップＣＰ１とピエゾ素子１１の一端との間に配置可能な部材であり、キャップＣＰ１とピエゾ素子１１の一端との間隔を調整するために用いられる。即ち、シムＳＨ１のｚ軸方向の幅が大きいほど、４つの転がりジョイントに対する予圧は大きくなる。
　なお、ピエゾ予圧調整機構４０は、ピエゾ素子１１の一端（固定部１２の側）に配置されるものとして説明したが、ピエゾ素子１１の他端（出力部１３の側）に配置されてもよい。
　ピエゾ予圧調整機構４０により、左端の接触点と右端の接触点との間の距離は自然長よりも短くなるように調整される。そのため、転がりジョイントの転がり面は、常に所定値以上の力を受けた状態で転がり接触する。なお、左端の接触点は、左側のキャップＣＰ１の端部曲面と左側の固定部１２の端部曲面との接触点であり、右端の接触点は、右側のキャップＣＰ１の端部曲面と右側の固定部１２の端部曲面との接触点である。また、自然長は、無負荷状態でｚ軸方向に一直線上に並べられた各部材（キャップＣＰ１、左側のピエゾ素子１１、キャップＣＰ２、出力部１３、キャップＣＰ２、右側のピエゾ素子１１、キャップＣＰ１）のｚ軸方向における合計長さである。
　外殻１５は、一対の固定部１２の間の距離を固定する機能要素である。本実施形態では、外殻１５は、一対のピエゾ素子１１、一対の固定部１２、及び出力部１３を取り囲むように形成される部材であり、変位拡大機構１０で座屈現象が生じる場合に一対の固定部１２の間の距離が拡がるのを防止する。
　以上の構成により、変位拡大機構１０は、ピエゾ素子１１の変位を１００倍以上に拡大可能であり、且つ、出力エネルギを７０％以上伝達可能な特性を有する。また、静推力維持に伴うエネルギロスが無く且つ拡大変位が比較的大きいという特性を備えていることから、変位拡大機構１０は、例えば、クランプ動作が求められるブレーキアクチュエータに適用され得る。
　次に、変位拡大機構１０の出力特性について図２を用いて説明する。図２は、変位拡大機構１０の各構成要素に作用する力を示す模式図である。
　変位拡大機構１０の出力特性は、ピエゾ素子１１のアクチュエータ特性と、変位拡大機構１０による運動変換特性を考慮すると、式（１）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、ｋＰＣＳはバネ予圧調整機構３０の機械的圧縮剛性を表し、ｋＰＺＴはピエゾ素子１１の機械的圧縮剛性を表す。また、ｋＦは外殻１５の長手方向の機械的引張剛性を表し、ｋＪは転がりジョイントの機械的圧縮剛性を表す。また、ｋＳはピエゾ素子１１の変位方向における変位拡大機構１０の総合機械剛性を表し、外殻１５の機械的引張剛性ｋＦ、及び、転がりジョイントの機械的圧縮剛性ｋＪに依存する。また、Ｌは固定部１２に関する転がりジョイントの回転中心と出力部１３に関する転がりジョイントの回転中心との間の距離を表す。また、ＦＶはピエゾ推力を表し、ＦＰＬはピエゾ予圧調整機構４０によるピエゾ予圧力を表し、ＦＺはピエゾ素子１１の変位量に依存してピエゾ素子１１の内部で発生する機械的推力を表す。また、ｚＰＺＴはピエゾ素子１１の変位を表し、ｚＳはピエゾ素子１１の変位方向における転がりジョイントと外殻１５との総合変位を表す。また、ｄは圧電定数であり、ＶＰＺＴはピエゾ素子１１に印加される電圧を表す。また、αは接点間角度を表す。接点間角度αは、ピエゾ素子１１と固定部１２との接点と、ピエゾ素子１１と出力部１３との接点とを結ぶ線分の基準線に対する角度である。基準線は、拡大変位Ｙがゼロのときの固定部１２に関する転がりジョイントの回転中心と出力部１３に関する転がりジョイントの回転中心とを繋ぐ直線である。なお、図２のｙ０は、予圧調整バネ１４に対する一定の変位量（予荷重）を表す。
　式（１）の第１式は出力部１３の拡大変位Ｙの方向における力のつり合いを示す。第２式は変位拡大機構１０による運動変換特性を示す。第３式はピエゾ素子１１の変位方向における力のつり合いを示す。なお、ｚは、キャップＣＰ１が固定部１２の端部曲面と転がり接触（線接触または点接触）する円弧の中心と、キャップＣＰ２が出力部１３の端部曲面と転がり接触（線接触または点接触）する円弧の中心との距離を表す。また、第２式では、ピエゾ素子１１の伸縮の影響をキャップの径の微小変化で近似している。この近似は、例えば、キャップＣＰ１の端部曲面の輪郭を含む円と、キャップＣＰ２の端部曲面の輪郭を含む円とが同心円Ｃ２（図１Ｄ参照。）となるように設計された場合に採用可能である。
　次に、変位拡大機構１０について、図３Ａから図３Ｃを用いて更に説明する。図３Ａから図３Ｃは、変位拡大機構１０の構成を示す模式図である。具体的には、図３Ａは変位拡大機構１０の斜視図である。図３Ｂはｙ－ｚ平面と垂直な方向から見た変位拡大機構１０の正面図である。図３Ｃはｚ－ｘ平面と垂直な方向から見た変位拡大機構１０の平面図である。なお、図３Ａから図３Ｃにおいて、出力ジョイント２０、バネ予圧調整機構３０、予圧調整バネ１４等は省略して図示している。また、図３Ａでは外殻１５を透過して図示しており、図３Ｂでは外殻１５の図示を省略している。なお、図３Ａから図３Ｃの例では、キャップＣＰ１，ＣＰ２の転がり面、固定部１２の転がり面、出力部１３の転がり面が円筒面の場合を例に図示している。
　図３Ａに示すように、ｙｃ軸は、出力部１３の出力方向を示し、出力部１３の中心を通るｙ軸と平行な軸である。変位拡大機構１０は、ｙｃ軸を通りｘ－ｙ面に平行な面を基準として、対象構造を有している。ｚｐ軸は、ピエゾ素子１１の伸長方向と一致し、ピエゾ素子１１の中心を通る軸である。ｙｐ軸は、ｚｐ軸に対して垂直であり、ｘ軸とｚ－ｘ平面と垂直であり、ピエゾ素子１１の中心を通る軸である。
　図３Ｂに示すように、Ｒｓは、固定部１２の転がり面の曲率半径を示す。Ｒｃは、出力部１３の転がり面の曲率半径を示す。Ｒｐは、ピエゾ素子１１のキャップの転がり面の曲率半径を示す。
　ここで、図３Ｃに示すように、キャップＣＰ１，ＣＰ２の転がり面、固定部１２の転がり面、出力部１３の転がり面が円筒面の場合、ピエゾ素子１１はｘ軸方向に対して、幾何学的に拘束されていない。即ち、出力部１３の出力方向（ｙ軸方向）及びピエゾ素子１１の伸縮方向（ｚ軸方向）からなる平面（ｙ－ｚ平面）と垂直な方向（ｘ軸方向）に対して、幾何学的に拘束されていない。このため、ピエゾ素子１１にｘ軸方向へのずれが発生すると、ピエゾ素子１１が外殻１５と接触するおそれがある。ピエゾ素子１１が外殻１５と接触することにより、アクチュエータユニット１の性能の低下や摩耗による寿命低下を招く。
　次に、第１実施形態に係る変位拡大機構１０について、図４Ａから図４Ｃを用いて説明する。図４Ａから図４Ｃは、第１実施形態に係る変位拡大機構１０の構成を説明する図である。具体的には、図４Ａは、第１実施形態に係る変位拡大機構１０の固定部１２の斜視図である。図４Ｂは、第１実施形態に係る変位拡大機構１０のキャップＣＰ１の斜視図である。図４Ｃは、ｚ－ｘ平面における第１実施形態に係る変位拡大機構１０の平面図である。第１実施形態に係る変位拡大機構１０は、図３Ａから図３Ｃに示す変位拡大機構１０と比較して、転がりジョイントの転がり面の形状が異なっている。
　また、第１実施形態に係る変位拡大機構１０は、ｘ方向の部品の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制構造を有している。即ち、位置ずれ抑制構造は、出力部１３の出力方向（ｙ軸方向）及びピエゾ素子１１の伸縮方向（ｚ軸方向）からなる平面（ｙ－ｚ平面）と垂直な方向（ｘ軸方向）に対して、部品（ピエゾ素子１１）のずれを抑制する。位置ずれ抑制構造は、固定部１２の転がり面の形状及びキャップＣＰ１の転がり面の形状によって構成される。また、位置ずれ抑制構造は、出力部１３の転がり面の形状及びキャップＣＰ２の転がり面の形状によって構成される。
　図４Ａに示すように、固定部１２は、鞍型形状の転がり面、換言すれば凹曲面となる転がり面を有している。ここで、凹曲面とは、転がり接点の軌跡に対して垂直な面で切断した際、凹円弧となるような曲面である。また、Ｒｓは、転がり円の曲率半径を示す。固定部１２の転がり円とは、固定部１２の端部曲面においてキャップＣＰ１の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円であり、ｙ－ｚ平面と平行な面上の円である。ｒｓは、固定部１２の曲面の曲率半径を示す。また、図４Ａにおいて、曲率半径ｒｓの円の中心の軌跡をｃｓで示す。軌跡ｃｓは、曲率半径Ｒｓの円と同一平面上であって、曲率半径Ｒｓの円と同心で、半径Ｒｓ＋ｒｓの円弧となる。また、曲率半径Ｒｓの円の平面と曲率半径ｒｓの円の平面とは、２円の中心を結ぶ線を軸として９０°回転した平面となっている。固定部１２の転がり面は、曲率半径Ｒｓの転がり円に沿って、曲率半径ｒｓの円弧をスイープすることによって形成される曲面である。
　図４Ｂに示すように、キャップＣＰ１は、凸曲面となる転がり面を有している。ここで、凸曲面とは、転がり接点の軌跡に対して垂直な面で切断した際、凸円弧となるような曲面である。また、Ｒｐは、転がり円の曲率半径を示す。キャップＣＰ１の転がり円とは、キャップＣＰ１の端部曲面において固定部１２の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円であり、ｙ－ｚ平面と平行な面上の円である。ｒｐは、キャップＣＰ１の曲面の曲率半径を示す。また、図４Ｂにおいて、曲率半径ｒｐの円の中心の軌跡をｃｐで示す。軌跡ｃｐは、曲率半径Ｒｐの円と同一平面上であって、曲率半径Ｒｐの円と同心で、半径Ｒｐ－ｒｐの円弧となる。また、曲率半径Ｒｐの円の平面と曲率半径ｒｐの円の平面とは、２円の中心を結ぶ線を軸として９０°回転した平面となっている。キャップＣＰ１の転がり面は、曲率半径Ｒｐの転がり円に沿って、曲率半径ｒｐの円弧をスイープすることによって形成される曲面である。
　出力部１３の転がり面は、固定部１２の転がり面と同様に、転がり円の曲率半径Ｒｃ及び曲面の曲率半径ｒｃで規定される凹曲面となる転がり面を有している。また、キャップＣＰ２の転がり面は、キャップＣＰ１の転がり面と同様に、転がり円の曲率半径Ｒｐ及び曲面の曲率半径ｒｐで規定される凸曲面となる転がり面を有している。
　また、左右の固定部１２でのジョイント接点を通る円の曲率半径をｒｓｓとする。また、固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径をｒｓｃとする。なお、１つのピエゾ素子１１の両端のキャップＣＰ１，ＣＰ２のＲｐを同一円とする場合、ｒｓｃは、Ｒｐとほぼ同値となる。
　このような構成により、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ１と固定部１２との転がりジョイントは、曲率半径Ｒｓの転がり円及び曲率半径Ｒｐの転がり円によって、その動作が規定される。また、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ２と出力部１３との転がりジョイントは、曲率半径Ｒｐの転がり円及び曲率半径Ｒｃの転がり円によって、その動作が規定される。よって、第１実施形態に係る変位拡大機構１０は、図３Ａから図３Ｃに示す端部曲面が円筒面の場合の変位拡大機構１０と同様に、変位拡大動作をすることができる。
　次に、第１実施形態に係る変位拡大機構１０について、各曲率半径の組み合わせとずれの抑制効果について説明する。
　なお、以下の説明では、前提条件として、固定部１２の曲面の曲率半径ｒｓと出力部１３の曲面の曲率半径ｒｃとは等しい（ｒｓ＝ｒｃ）ものとして説明する。また、各キャップＣＰ１，ＣＰ２の曲面の曲率半径ｒｐは等しいものとして説明する。また、転がりジョイントが幾何学的に成立するために、ｒｐ≦ｒｓとしている。
　第１実施形態に係る変位拡大機構１０は、図４Ｃに示すように、固定部１２の端部曲面が凹曲面となり、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ１の端部曲面が凸曲面となる。また、出力部１３の端部曲面が凹曲面となり、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ２の端部曲面が凸曲面となる。これにより、ピエゾ素子１１がｘ軸方向にずれることを抑制することができる。
　図５Ａから図５Ｂは、ｙｃ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図である。なお、ｒｓ１は左側の固定部１２の曲面の曲率半径を表す。ｒｓ２は右側の固定部１２の曲面の曲率半径を表す。ｒｐｓ１は左側の固定部１２と接触するキャップＣＰ１の曲面の曲率半径を表す。ｒｐｓ２は右側の固定部１２と接触するキャップＣＰ１の曲面の曲率半径を表す。
　図５Ａでは、固定部１２の曲率半径ｒｓが左右の固定部１２でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｓ以上の場合（ｒｓｓ≦ｒｓ）を示す。曲率半径ｒｓ１の円と曲率半径ｒｓ２の円との重なり部分に曲率半径ｒｓｓの円が含まれる。このため、曲率半径ｒｓ１の円と曲率半径ｒｓ２の円との重なり部分内で曲率半径ｒｓｓの円が回転することができる。よって、左右のピエゾ素子１１と出力部１３のアセンブリがｙｃ軸を回転軸として回転することができる。
　図５Ｂでは、固定部１２の曲率半径ｒｓが左右の固定部１２でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｓ未満の場合（ｒｓ＜ｒｓｓ）を示す。曲率半径ｒｓ１の円と曲率半径ｒｓ２の円との重なり部分よりも曲率半径ｒｓｓの円が飛び出している。このため、曲率半径ｒｓ１の円と曲率半径ｒｓ２の円との重なり部分内で曲率半径ｒｓｓの円が回転することができない。よって、左右のピエゾ素子１１と出力部１３のアセンブリが、ｙｃ軸を回転軸として回転することを抑制することができる。
　図６Ａから図６Ｃは、ｙｐ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図である。ｒｐｓは、固定部１２と接触するキャップＣＰ１の曲面の曲率半径を表す。ｒｐｃは、出力部１３と接触するキャップＣＰ２の曲面の曲率半径を表す。
　図６Ａでは、固定部１２の曲率半径ｒｓが固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｃ以上、かつ、キャップＣＰの曲率半径ｒｐが曲率半径ｒｓｃ以下の場合（ｒｐ≦ｒｓｃ≦ｒｓ）を示す。この場合、曲率半径ｒｓの円と曲率半径ｒｃの円との重なり部分に曲率半径ｒｓｃの円が含まれる。このため、曲率半径ｒｓの円と曲率半径ｒｃの円との重なり部分内で曲率半径ｒｓｃの円が回転することができる。また、キャップＣＰ１，ＣＰ２を含んだピエゾ素子１１は曲率半径ｒｓｃの円内に収まる。よって、ピエゾ素子１１がｙｐ軸を回転軸として回転することができる。
　図６Ｂでは、固定部１２の曲率半径ｒｓが固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｃ以上、かつ、キャップＣＰの曲率半径ｒｐが曲率半径ｒｓｃ以上の場合（ｒｓｃ≦ｒｐ≦ｒｓ）を示す。この場合、キャップＣＰ１，ＣＰ２を含んだピエゾ素子１１は曲率半径ｒｓｃの円よりも飛び出している。しかしながら、「曲率半径ｒｓの円と曲率半径ｒｃの円との重なり部分」に「曲率半径ｒｐｃの円と曲率半径ｒｐｓの円との重なり部分」が含まれる。このため、「曲率半径ｒｓの円と曲率半径ｒｃの円との重なり部分」内で「曲率半径ｒｐｃの円と曲率半径ｒｐｓの円との重なり部分」が回転することができる。よって、ピエゾ素子１１がｙｐ軸を回転軸として回転することができる。
　図６Ｃでは、固定部１２の曲率半径ｒｓが固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｃ未満の場合（ｒｐ≦ｒｓ＜ｒｓｃ）を示す。曲率半径ｒｓの円と曲率半径ｒｃの円との重なり部分よりも曲率半径ｒｓｃの円が飛び出している。このため、曲率半径ｒｓの円と曲率半径ｒｃの円との重なり部分内で曲率半径ｒｓｃの円が回転することができない。よって、ピエゾ素子１１がｙｐ軸を回転軸として回転することを抑制することができる。
　次に、ｚｐ軸周りの回転による位置ずれを説明する。固定部１２の曲率半径ｒｓが固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｃ以上の場合（ｒｓｃ≦ｒｓ）、ピエゾ素子１１がｚｐ軸を回転軸として回転することができる。一方、固定部１２の曲率半径ｒｓが固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｃ未満の場合（ｒｓ＜ｒｓｃ）、ピエゾ素子１１がｚｐ軸を回転軸として回転することを抑制することができる。
　図７は、第１実施形態に係る変位拡大機構１０における各曲率半径の組み合わせとずれ抑制の効果を説明する表である。なお、表において、バツ印は幾何学的条件（ｒｐ≦ｒｓ）を満たさない範囲である。黒塗りの三角は、ｘ方向のずれを抑制する範囲である。白抜きの三角印は、ｘ方向のずれを抑制し、ｙｃ軸周りの回転を抑制する範囲である。二重丸印は、ｘ方向のずれを抑制し、ｙｃ軸周りの回転を抑制し、ｙｐ軸周りの回転を抑制し、ｙｚ軸周りの回転を抑制する範囲である。このように、固定部１２の曲率半径ｒｓ（出力部１３の曲率半径ｒｃ）とキャップＣＰの曲率半径ｒｐを適宜選択することにより、変位拡大機構１０内の部品の位置ずれを抑制することができる。なお、ジョイント接触応力が許容値以下に収まるように、ピエゾ素子１１の予圧力と各曲面の曲率半径を設計する。
　次に、第２実施形態に係る変位拡大機構１０について、図８Ａから図８Ｃを用いて説明する。図８Ａから図８Ｃは、第２実施形態に係る変位拡大機構１０の構成を説明する図である。具体的には、図８Ａは、第２実施形態に係る変位拡大機構１０の固定部１２の斜視図である。図８Ｂは、第２実施形態に係る変位拡大機構１０のキャップＣＰ１の斜視図である。図８Ｃは、ｚ－ｘ平面における第２実施形態に係る変位拡大機構１０の平面図である。第２実施形態に係る変位拡大機構１０は、図３Ａから図３Ｃに示す変位拡大機構１０、及び、図４Ａから図４Ｃに示す第１実施形態に係る変位拡大機構１０と比較して、転がりジョイントの転がり面の形状が異なっている。
　図８Ａに示すように、固定部１２は、凸曲面となる転がり面を有している。ここで、Ｒｓは、転がり円の曲率半径を示す。固定部１２の転がり円とは、固定部１２の端部曲面においてキャップＣＰ１の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円であり、ｙ－ｚ平面と平行な面上の円である。ｒｓは、固定部１２の曲面の曲率半径を示す。また、図８Ａにおいて、曲率半径ｒｓの円の中心の軌跡をｃｓで示す。軌跡ｃｓは、曲率半径Ｒｓの円と同一平面上であって、曲率半径Ｒｓの円と同心で、半径Ｒｓ－ｒｓの円弧となる。また、曲率半径Ｒｓの円の平面と曲率半径ｒｓの円の平面とは、２円の中心を結ぶ線を軸として９０°回転した平面となっている。固定部１２の転がり面は、曲率半径Ｒｓの転がり円に沿って、曲率半径ｒｓの円弧をスイープすることによって形成される曲面である。
　図８Ｂに示すように、キャップＣＰ１は、鞍型形状の転がり面、換言すれば凹曲面となる転がり面を有している。ここで、Ｒｐは、転がり円の曲率半径を示す。キャップＣＰ１の転がり円とは、キャップＣＰ１の端部曲面において固定部１２の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円であり、ｙ－ｚ平面と平行な面上の円である。ｒｐは、キャップＣＰ１の曲面の曲率半径を示す。また、図８Ｂにおいて、曲率半径ｒｐの円の中心の軌跡をｃｐで示す。軌跡ｃｐは、曲率半径Ｒｐの円と同一平面上であって、曲率半径Ｒｐの円と同心で、半径Ｒｐ＋ｒｐの円弧となる。また、曲率半径Ｒｐの円の平面と曲率半径ｒｐの円の平面とは、２円の中心を結ぶ線を軸として９０°回転した平面となっている。キャップＣＰ１の転がり面は、曲率半径Ｒｐの転がり円に沿って、曲率半径ｒｐの円弧をスイープすることによって形成される曲面である。
　出力部１３の転がり面は、固定部１２の転がり面と同様に、転がり円の曲率半径Ｒｃ及び曲面の曲率半径ｒｃで規定される凸曲面となる転がり面を有している。また、キャップＣＰ２の転がり面は、キャップＣＰ１の転がり面と同様に、転がり円の曲率半径Ｒｐ及び曲面の曲率半径ｒｐで規定される凹曲面となる転がり面を有している。
　また、左右の固定部１２でのジョイント接点を通る円の曲率半径をｒｓｓとする。また、固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径をｒｓｃとする。なお、１つのピエゾ素子１１の両端のキャップＣＰ１，ＣＰ２のＲｐを同一円とする場合、ｒｓｃは、Ｒｐとほぼ同値となる。
　このような構成により、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ１と固定部１２との転がりジョイントは、曲率半径Ｒｓの転がり円及び曲率半径Ｒｐの転がり円によって、その動作が規定される。また、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ２と出力部１３との転がりジョイントは、曲率半径Ｒｐの転がり円及び曲率半径Ｒｃの転がり円によって、その動作が規定される。よって、第２実施形態に係る変位拡大機構１０は、図３Ａから図３Ｃに示す端部曲面が円筒面の場合の変位拡大機構１０と同様に、変位拡大動作をすることができる。
　次に、第２実施形態に係る変位拡大機構１０について、各曲率半径の組み合わせとずれの抑制効果について説明する。
　なお、以下の説明では、前提条件として、固定部１２の曲面の曲率半径ｒｓと出力部１３の曲面の曲率半径ｒｃとは等しい（ｒｓ＝ｒｃ）ものとして説明する。また、各キャップＣＰ１，ＣＰ２の曲面の曲率半径ｒｐは等しいものとして説明する。また、転がりジョイントが幾何学的に成立するために、ｒｓ≦ｒｐとしている。
　第２実施形態に係る変位拡大機構１０は、図８Ｃに示すように、固定部１２の端部曲面が凸曲面となり、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ１の端部曲面が凹曲面となる。また、出力部１３の端部曲面が凸曲面となり、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ２の端部曲面が凹曲面となる。これにより、ピエゾ素子１１がｘ軸方向にずれることを抑制することができる。また、左右のピエゾ素子１１と出力部１３のアセンブリが、ｙｃ軸を回転軸として回転することを抑制することができる。また、ピエゾ素子１１がｙｐ軸を回転軸として回転することを抑制することができる。
　次に、ｚｐ軸周りの回転による位置ずれを説明する。キャップＣＰ１の曲率半径ｒｐが固定部１２の転がり円の曲率半径Ｒｓ以上の場合（Ｒｓ≦ｒｐ）、ピエゾ素子１１がｘｐ軸を回転軸として回転することができる。一方、キャップＣＰ１の曲率半径ｒｐが固定部１２の転がり円の曲率半径Ｒｓ未満の場合（ｒｐ＜Ｒｓ）、ピエゾ素子１１がｚｐ軸を回転軸として回転することを抑制することができる。
　図９は、第２実施形態に係る変位拡大機構１０における各曲率半径の組み合わせとずれ抑制の効果を説明する表である。なお、表において、バツ印は幾何学的条件（ｒｐ≦ｒｓ）を満たさない範囲である。丸印は、ｘ方向のずれを抑制し、ｙｃ軸周りの回転を抑制し、ｙｐ軸周りの回転を抑制する範囲である。二重丸印は、ｘ方向のずれを抑制し、ｙｃ軸周りの回転を抑制し、ｙｐ軸周りの回転を抑制し、ｚｐ軸周りの回転を抑制する範囲である。このように、固定部１２の曲率半径ｒｓ（出力部１３の曲率半径ｒｃ）とキャップＣＰの曲率半径ｒｐを適宜選択することにより、変位拡大機構１０内の部品の位置ずれを抑制することができる。なお、ジョイント接触応力が許容値以下に収まるように、ピエゾ素子１１の予圧力と各曲面の曲率半径を設計する。
　以上、本実施形態に係る変位拡大機構について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　第１実施形態に係る変位拡大機構１０において固定部１２の端部曲面及び出力部１３の端部曲面は凹曲面であり、第２実施形態に係る変位拡大機構１０において固定部１２の端部曲面及び出力部１３の端部曲面は凸曲面であるものとして説明したが、これに限られるものではない。例えば、固定部１２とキャップＣＰ１の端部曲面は図４Ａから図４Ｃまたは図８Ａから図８Ｃに示す凹凸曲面を有し、出力部１３とキャップＣＰ２の端部曲面は円筒面としてもよい。また、出力部１３とキャップＣＰ２の端部曲面は図４Ａから図４Ｃまたは図８Ａから図８Ｃにに示す凹凸曲面を有し、固定部１２とキャップＣＰ１の端部曲面は円筒面としてもよい。この場合でも、各曲面の曲率半径を適宜選択することにより、ずれ抑制の効果を奏する。また、一方を円筒面とすることにより、加工コストを低減することができる。
　また、第１実施形態及び第２実施形態に係る変位拡大機構１０において、固定部１２の曲面の曲率半径ｒｓと出力部１３の曲面の曲率半径ｒｃとは等しい（ｒｓ＝ｒｃ）ものとして説明したが、これに限られるものではなく、異なっていてもよい。また、キャップＣＰ１，ＣＰ２の曲面の曲率半径ｒｐも等しいものとして説明したが、これに限られるものではなく、異なっていてもよい。
　また、固定部１２及び出力部１３における転がり接点の軌跡は、凸円弧（曲率半径Ｒｓの円、曲率半径Ｒｃの円）であるものとして説明したが、これに限られるものではない。転がり接点の軌跡は、直線であってもよく、凹円弧であってもよく、非円形状曲線であってもよく、限定されるものではない。
　転がり接点の軌跡が直線の場合を一例として、図１０Ａから図１０Ｂを用いて説明する。図１０Ａから図１０Ｂは、変形例に係る変位拡大機構１０の構成を説明する図である。図１０Ａは、転がり接点の軌跡Ｌｓが直線であって、鞍型形状（凹曲面）の転がり面となる固定部１２の一例を示す。なお、この固定部１２と接触するキャップＣＰ１は、図４Ｂに示す転がり面が凸曲面となるキャップＣＰ１となる。また、図１０Ｂは、転がり接点の軌跡Ｌｓが直線であって、凸曲面となる固定部１２の一例を示す。なお、この固定部１２と接触するキャップＣＰ１は、図８Ｂに示す転がり面が鞍型形状（凹曲面）となるキャップＣＰ１となる。このように、転がり接点の軌跡が直線であっても、ずれを抑制する構成とすることができる。
　尚、本願は、２０１８年１２月２０日に出願した日本国特許出願２０１８－２３８６５６号に基づく優先権を主張するものであり、これらの日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。
１　　　　　アクチュエータユニット（アクチュエータ）
１０　　　　変位拡大機構
１１　　　　ピエゾ素子
１２　　　　固定部
１３　　　　出力部
１４　　　　予圧調整バネ
１５　　　　外殻
２０　　　　出力ジョイント
３０　　　　バネ予圧調整機構
４０　　　　ピエゾ予圧調整機構
ＣＰ１、ＣＰ２　キャップ

Claims (10)

  1. 　容量的性質を有する伸縮素子と、
    　前記伸縮素子の一端と転がり接触する固定部と、
    　前記伸縮素子の他端と転がり接触し、前記伸縮素子の伸縮に応じて前記伸縮素子の伸縮方向とは異なる出力方向に変位する出力部と、
    　前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向に対して、前記伸縮素子の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制構造と、を備える、変位拡大機構。
  2. 　前記位置ずれ抑制構造は、
    　前記固定部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造および前記出力部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造のうち少なくとも１つの連結構造に形成される、
    請求項１に記載の変位拡大機構。
  3. 　前記位置ずれ抑制構造は、
    　一方の部材の転がり面が凹曲面であり、
    　前記一方の部材と転がり接触する他方の部材の転がり面が凸曲面である、
    請求項２に記載の変位拡大機構。
  4. 　前記固定部および前記出力部の少なくとも１つの転がり面は、前記凹曲面であり、
    　前記凹曲面と接触する前記伸縮素子の転がり面は、前記凸曲面である、
    請求項３に記載の変位拡大機構。
  5. 　前記凹曲面の曲率は、前記固定部と前記伸縮素子の一端との接点と前記出力部と前記伸縮素子の他端との接点を通る円の曲率よりも小さく、
    　前記凸曲面の曲率は、前記固定部と前記伸縮素子の一端との接点と前記出力部と前記伸縮素子の他端との接点を通る円の曲率よりも小さい、
    請求項４に記載の変位拡大機構。
  6. 　前記固定部および前記出力部の少なくとも１つの転がり面は、凸曲面であり、
    　前記凸曲面と接触する前記伸縮素子の転がり面は、凹曲面である、
    請求項３に記載の変位拡大機構。
  7. 　前記凹曲面の曲率は、前記凸曲面の曲率以上である、
    請求項６に記載の変位拡大機構。
  8. 　前記固定部および前記出力部の少なくとも１つの転がり面における転がり接点の軌跡は、円弧である、
    請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の変位拡大機構。
  9. 　前記固定部および前記出力部の少なくとも１つの転がり面における転がり接点の軌跡は、直線である、
    請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の変位拡大機構。
  10. 　請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の変位拡大機構を備えるアクチュエータ。
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